Material inédito cria interface entre eletrônica, fotônica e quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/07/2025

A pastilha, revestida com o novo material, é visualmente indistinguível de uma convencional, e também pode ser utilizada nas mesmas fábricas.
[Imagem: Forschungszentrum Jülich]

Interface entre tecnologias

Cientistas alemães sintetizaram um novo material semicondutor que apresenta uma combinação inusitada de propriedades, tornando-o promissor para tudo, da eletrônica tradicional à fotônica e às tecnologias quânticas.

Na verdade, o material inusitado - não há nenhum registro de sua existência anterior em qualquer estrutura - pode estabelecer uma ponte entre essas áreas de fronteira, fazendo uma interface entre as diferentes tecnologias.

O que é particularmente especial no novo composto é que todos os quatro elementos que o formam pertencem ao Grupo IV da tabela periódica, o que garante sua compatibilidade com o método de fabricação padrão usado na indústria microeletrônica, o conhecido processo CMOS.

Abreviado como CSiGeSn, o material inédito é uma liga estável de carbono, silício, germânio e estanho.

"Ao combinar esses quatro elementos, alcançamos um objetivo de longa data: o melhor semicondutor do Grupo IV," disse Dan Buca, do Centro de Pesquisa Julich, coordenador da equipe que sintetizou o novo material.

A delicada estrutura atômica, mesclando átomos de tamanhos muito diferentes, faz a diferença que permite unir as diferentes tecnologias.
[Imagem: Omar Concepción et al. - 10.1002/adma.202506919]

Quatro elementos

A química estabelece limites claros quando se trata de integrar diferentes materiais: Apenas elementos do mesmo grupo do silício se encaixam perfeitamente na estrutura cristalina das pastilhas que servem de base para a fabricação comercial de todos os circuitos. O processo básico é chamado de epitaxia, um processo-chave na tecnologia de semicondutores, no qual finas camadas são depositadas sobre um substrato com precisão atômica. Mas elementos de outros grupos rompem a sensível estrutura.

A equipe já havia conseguido combinar silício, germânio e estanho para desenvolver transistores, fotodetectores, lasers, LEDs e materiais termoelétricos. Agora, com a adição do carbono, eles alcançaram um controle ainda maior sobre o hiato de banda, ou banda proibida, o fator-chave que determina o comportamento eletrônico e fotônico dos materiais.

Ou seja, a nova liga permite o ajuste fino das propriedades do material em um nível que permite a criação de componentes que vão além das capacidades do silício - por exemplo, componentes ópticos ou circuitos quânticos. E esses componentes podem ser integrados diretamente no chip durante a fabricação.

"Um exemplo é um laser que também funciona à temperatura ambiente. Muitas aplicações ópticas do grupo do silício ainda estão em fase inicial," explicou Dan Buca. "Também há novas oportunidades para o desenvolvimento de termoelétricos adequados para converter calor em energia elétrica em dispositivos vestíveis e chips de computador."

A equipe já está criando os primeiros componentes com o "material impossível".
[Imagem: Omar Concepción et al. - 10.1002/adma.202506919]

Elementos contrastantes dentro da rede cristalina

Por muito tempo, os cientistas consideraram ser virtualmente impossível a fabricação desse novo material. Isso porque os átomos de carbono são minúsculos, enquanto os átomos de estanho são grandes, e suas forças de ligação são muito diferentes. Somente por meio de ajustes precisos no processo de produção foi possível combinar esses opostos.

E, sem qualquer aparato especial, apenas um equipamento semelhante ao já padrão na fabricação de chips, a equipe obteve um material de alta qualidade com composição uniforme.

O primeiro teste prático consistiu na fabricação do primeiro LED (diodo emissor de luz) baseado nas chamadas estruturas de poço quântico, feitas de todos os quatro elementos - um passo importante em direção a novos componentes optoeletrônicos.

"O material oferece uma combinação única de propriedades ópticas ajustáveis e compatibilidade com o silício," disse Giovanni Capellini, membro da equipe. "Isso estabelece a base para componentes escaláveis de tecnologia fotônica, termoelétrica e quântica."

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